晶體生長方法

1、晶體生長方法1. 底部籽晶法22. 冷坩堝法33. 高溫高壓法44. 弧熔法85. 提拉法96. 焰熔法127. 熔劑法148. 水平區(qū)熔169. 升華法1710. 水熱法生長晶體1911. 水溶液法生長晶體2112. 導(dǎo)向溫梯法（TGT）生長藍(lán)寶石簡介221.底部籽晶法 圖1 底部籽晶水冷實驗裝置示意圖與提拉法相反，這種生長方法中坩堝上部溫度高，下部溫度低。將一管子處在坩堝底部，通入水或液氮使下面冷卻，晶體圍繞著籽晶從坩堝底部生長2.冷坩堝法圖2 冷坩堝生長示意圖人工合成氧化鋯即采用冷坩堝法，因為氧化鋯的熔點高（2700），找不到合適的坩堝材料。此時，用原料本身作為"坩堝

2、"進(jìn)行生長，裝置如圖2所示。原料中加有引燃劑（如生長氧化鋯時用的鋯片），在感應(yīng)線圈加熱下熔融。氧化鋯在低溫時不導(dǎo)電，到達(dá)一定溫度后開始導(dǎo)熱，因此鋯片附近的原料逐漸被熔化。同時最外層的原料不斷被水冷套冷卻保持較低溫度，而處于凝固狀態(tài)形成一層硬殼,起到坩堝的作用，硬殼內(nèi)部的原料被熔化后隨著裝置往下降入低溫區(qū)而冷卻結(jié)晶。3.高溫高壓法圖3 四面頂高壓機(左)及六面頂高壓機(右)的示意圖圖4 兩面頂高溫高壓設(shè)備結(jié)構(gòu)圖圖5 兩面頂高溫高壓設(shè)備結(jié)構(gòu)圖圖6 人工晶體研究院研制的6000噸壓機圖7 人造金剛石車間圖8 六面頂高壓腔及其試驗件圖9 鋼絲纏繞高壓模具圖10 CVD生長金剛石薄膜的不同設(shè)計

3、圖11 南非德·拜爾公司合成的金剛石薄膜窗口圖12 德·拜爾公司在1991年合成的14克拉單晶鉆石溫高壓法可以得到幾萬大氣壓，1500左右的壓力和溫度，是生長金剛石，立方氮化硼的方法。目前，高溫高壓法不但可以生長磨料級的金剛石，還可以生長克拉級的裝飾性寶石金剛石。金剛石底膜可用化學(xué)氣相沉積方法在常壓下生長。4.弧熔法圖13 弧熔法示意圖料堆中插入電極，在一定的電壓下點火，發(fā)出電弧。電弧放出的熱量將周圍的原料熔化，熔融的原料在燒結(jié)的料殼中冷卻結(jié)晶，如云母就是用這種方法生長的。5.提拉法圖14 提拉爐圖15 爐內(nèi)保溫系統(tǒng)的剖面圖圖16 觀察生長情況圖17 提拉法生長晶體裝置示意

4、圖圖18 提拉法生長YAG晶體提拉法，是被普遍采用的晶體生長方法。它是將原料放在鉑或銥坩堝中加熱熔化，在適當(dāng)?shù)臏囟认拢瑢⒆丫Ы胍好?，讓熔體先在籽晶的末端生長，然后邊旋轉(zhuǎn)邊慢慢向上提拉籽晶，晶體即從籽晶末端開始逐漸長大。目前，使用最多的激光晶體Nd:YAG就是采用此法生長的。6.焰熔法圖19 焰熔法生長寶石示意圖圖20 焰融法生長金紅石圖21 金紅石晶體焰熔法，又稱Verneuil法，是在1890年由法國科學(xué)家Verneuil發(fā)明的，用于生長人工寶石。下圖是焰熔法生長寶石裝置示意圖。料錘周期性地敲打裝在料斗里的粉末原料，粉料從料斗中逐漸地往下掉，落到位置6處，由入口4和入口5進(jìn)入的氫氣氧氣形成

5、氫氧焰，將粉料熔融。熔體掉到籽晶7上，發(fā)生晶體生長，籽晶慢慢往下降，晶體就慢慢增長。使用此方法生長的晶體可長達(dá)1m。由于生長速度較快，利用該法生長的紅寶石晶體應(yīng)力較大, 只適合做手表軸承等機械性能方面。7.熔劑法圖22 熔鹽法生長KTP晶體裝置圖23 鈮酸鉀晶體圖24 BBO晶體圖25 CLBO 晶體對于熔點太高，或未到熔點即分解的晶體，采用加助熔劑的方法將其熔點降下來生長，改為熔劑法。很多非線性光學(xué)晶體。例如KN、KTP、BO、LBO等，都是用這種方法生長的。8.水平區(qū)熔圖26 水平區(qū)熔法示意圖水平區(qū)熔法實驗裝置示意圖如圖26所示。熔區(qū)被限制在加熱器加熱的狹小范圍內(nèi)，絕大部分的原料處于固態(tài)。

6、加熱器從一端向另一端緩慢移動，熔區(qū)也緩慢移動，晶體逐漸生長。水平區(qū)熔法的主要用途在于材料的物理提純。加熱器不斷地重復(fù)移動，雜質(zhì)被逐漸趕到一邊，原料從而得到提純。該法的創(chuàng)始人是美國人Pfann，硅單晶生長初期的提純即采用此法。9.升華法圖27 升華法晶體生長示意圖圖28 升華法生長碳化硅圖29 碳化硅芯片升華法是氣相法生長晶體的一種，其裝置示意圖如圖所示。氬氣為輸運介質(zhì)，熱端原料與摻雜劑加熱后揮發(fā)，在氬氣的輸運下到達(dá)冷端重新結(jié)晶。升華法生長的晶體質(zhì)量不高，為薄片狀。10.水熱法生長晶體圖30 水熱法生長晶體主要裝置圖31 杜邦公司用來生長KTP晶體的裝置圖32 杜邦公司用水熱法生長的晶體樣品水熱

7、法是一種在高溫高壓下從過飽和水溶液中進(jìn)行結(jié)晶的方法。工業(yè)化批量生長水晶即采用這種方法。晶體生長在特制的高壓釜內(nèi)進(jìn)行，晶體原料放在高壓釜底部，釜內(nèi)添加溶劑。加熱后上下部溶液間有一定的溫度差，使之產(chǎn)生對流，將底部的高溫飽和溶液帶至低溫的籽晶區(qū)形成過飽和而結(jié)晶。 美國人最初生長的KTP晶體線度約10mm，是在3000大氣壓、800下于內(nèi)徑僅38mm的高壓釜內(nèi)生長的。KTP晶體非線性系數(shù)大，透光波段寬，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，機械性能優(yōu)良，是一種綜合性能非常優(yōu)良的非線性光學(xué)晶體。美國曾在較長時間內(nèi)，將KTP晶體列為該國會控制下的軍需物質(zhì)，對我國實行禁運。在我國科技工作者不懈的努力下，成功的利用高溫溶液

8、法生長出高光學(xué)質(zhì)量、大尺寸的KTP晶體，打破了美國的壟斷并返銷到美國，為國家爭得了榮譽11.水溶液法生長晶體圖33 水浴育晶裝置圖34 日本大阪大學(xué)生長的KDP晶水溶液法的基本原理是將原料（溶質(zhì)）溶解在水中，采取適當(dāng)?shù)拇胧┰斐扇芤旱倪^飽和狀態(tài)，使晶體在其中生長。圖3-1為水溶液法中利用降溫法生長晶體的裝置，前面提及的磷酸二氫鉀（KDP）、磷酸二氘鉀（DKDP）晶體就是使用這種裝置生長的。12.導(dǎo)向溫梯法（TGT）生長藍(lán)寶石簡介導(dǎo)向溫梯法（TGT）生長藍(lán)寶石導(dǎo)向溫梯法是以定向籽晶誘導(dǎo)的熔體單結(jié)晶方法。他包括放置在簡單鐘罩式真空電阻爐內(nèi)的坩堝、發(fā)熱體和屏蔽裝置。本裝置采用鉬坩堝，石墨發(fā)熱體，坩堝底部中心有一籽晶，避免籽晶在化料時被熔體化掉，為了增加坩堝的穩(wěn)定性，籽晶槽固定在定位棒的圓形凹槽內(nèi)，溫場由石墨發(fā)熱體和冷卻裝置共同提供，發(fā)熱體為被上下槽割